浮力筒涡激运动的大涡数值模拟

摘要

作为一种典型的水下结构，浮力筒是深水油气开发系统中重要的组成部分，是多种立管形式的关键结构，因而浮力筒的运动特性研究具有很高的研究价值。当海水对浮力筒产生作用力，引起浮力筒的六自由度运动，这称为―涡激运动，当尾涡脱落频率接近固有运动频率，发生―锁定现象，致使浮力筒运动幅值增加，进而对浮力筒造成破坏。
　　本文研究主要包括两个方面：一方面是浮力筒的涡激运动模型实验；另一方面是使用大涡数值模拟的方法对浮力筒涡激运动进行实尺度数值模拟，并比对二者结果。
　　首先，对浮力筒进行模型实验，分析其运动幅值特性、频率特性和 ST数，以及其阻力变化特性。结果表明：1）本文开展的浮力筒涡激运动的顺流向和横流向均方根处理后的结果与以往的圆球实验结果亦是相似的。2）横流向涡激运动出现了―台阶式增长的现象。3）与静止圆柱的阻力系数相比，约化速度大于6.19之后，涡激运动的阻力系数增大大约1倍。
　　基于大涡模拟方法中壁面适应性较好的WALE（Wall-Adapting Local Eddy-viscosity Model）模型计算涡激运动，并结合刚体动力学求解浮力筒涡激运动。结果表明：1）大涡数值模拟计算顺流向无量纲均方根幅值约是实验结果的1.4倍，横流向无量纲均方根幅值接近实验结果。2）数值模拟结果对于较高约化速度的计算结果与实验结果近似。3）阻力系数数值模拟结果的增加趋势相对于实验结果较为缓和，且变化范围更窄；4）尾涡模式呈现了“2S”,“P+S”，“2P”；5）数值模拟结果计算出“锁定”范围为5.20~6.80，略大于实验结果。
　　对约化速度为8.67~10.32之间的涡激运动进行预报，顺流向无量纲均方根振幅微幅增加，横流向无量纲均方根幅值保持稳定，顺流向与横流向运动频率呈增加趋势，且二者比为fx/fy=2，ST数范围在0.12附近，尾涡模式为“2P”模式。
　　本文对浮力筒的涡激运动进行了模型实验和数值模拟，得到了较低质量比下的运动特性，同时证明了大涡数值模拟是一种较为准确的湍流模拟方法，而。

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究理论与方法

1.3 涡激运动机理研究

1.4 国内外研究现状

1.5 本文主要工作

第2章 计算模型的建立

2.1 计算流体力学理论和湍流模型

2.2 壁面函数理论

2.3 浮力筒运动求解和动网格实现

2.4 本章小结

第3章 浮力筒涡激运动实验研究

3.1 浮力筒实验模型以及工况

3.2 涡激运动的实验数据结果和分析

3.3 本章小结

第4章 浮力筒涡激运动大涡数值模拟

4.1 参数设定

4.2 数值模拟结果以及与实验结果对比分析

4.3 数据汇总分析以及误差原因分析

4.4 本章小结

第5章 浮力筒涡激运动的预报

5.1 运动幅值

5.2 运动频率和ST数

5.3 阻力系数

5.4 尾涡特性

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢